(57)【要約】【課題】タービン燃焼器のヘッドエンドの中の低流量または無流量の状態を低減させるシステムを提供すること。【解決手段】実施形態は、タービン燃焼器を有するシステムを含む。タービン燃焼器は、内側シェルおよび外側シェルを有する燃料ノズルと、燃料ノズルの周りに配設され、外側壁部およびバックプレートを有するフィードキャップとを含む。バックプレートは、燃料ノズルの外側シェルおよびフィードキャップの外側壁部のそれぞれの上流端部を接合している。タービン燃焼器は、フィードキャップの外側壁部に沿って、フィードキャップのバックプレートに沿って、および、燃料ノズルの中へ延在する空気経路を介して、第１の加圧空気を流すように構成されている。【選択図】図１
2013221737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン燃焼器を含み、前記タービン燃焼器は、
内側シェルおよび外側シェルを含む燃料ノズルと、
外側壁部およびバックプレートを含む、前記燃料ノズルの周りに配設されたフィードキャップであって、前記バックプレートは、前記燃料ノズルの前記外側シェルおよび前記フィードキャップの前記外側壁部のそれぞれの上流端部を接合している、フィードキャップと
を含み、
前記タービン燃焼器は、前記フィードキャップの前記外側壁部に沿って、前記フィードキャップの前記バックプレートに沿って、および、前記燃料ノズルの中へ延在する空気経路を介して第１の加圧空気を流すように構成されている、システム。
【請求項２】
前記フィードキャップの前記バックプレートが、前記バックプレートに沿った流れを維持し、前記バックプレートに沿った前記流れのいかなる再循環をも妨害するように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記バックプレートは、前記外側シェルと前記外側壁部との間のいかなる障害物または凹部をも排除している、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記タービン燃焼器は、燃焼室と、ヘッドエンドチャンバーと、前記燃焼室を前記ヘッドエンドチャンバーから分離する仕切りプレートとを含み、前記仕切りプレートおよび前記バックプレートは、前記燃料ノズルを取り囲む加圧されたチャンバーの２つの壁部を形成している、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記バックプレートは、前記ヘッドエンドチャンバーのエンドプレートに対して実質的に平行に配向されており、前記バックプレートは、前記バックプレートが前記フィードキャップの前記外側壁部および前記燃料ノズルの前記外側シェルと結合するその縁部に丸みが付けられている、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記空気経路の少なくとも一部分が、前記燃料ノズルの前記内側シェルおよび外側シェル、前記ヘッドエンドチャンバーのエンドプレート、前記フィードキャップの前記バックプレート、および、前記フィードキャップの前記外側壁部によって画定されている、請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記フィードキャップの前記外側壁部および前記燃料ノズルの前記外側シェルが、それぞれ、前記仕切りプレートに取り付けられ、前記加圧されたチャンバーを形成している、請求項４記載のシステム。
【請求項８】
前記タービン燃焼器が、前記第１の加圧空気を第１の圧力で流し、第２の加圧空気を前記加圧されたチャンバーへ第２の圧力で供給するように構成されており、前記第２の圧力が、前記第１の圧力よりも大きい、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記タービン燃焼器は、前記燃料ノズルおよび前記バックプレートから上流の前記空気経路に沿って燃料噴射器を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記タービン燃焼器が、燃焼室とヘッドエンドチャンバーとの間に仕切りプレートを含み、前記燃料ノズルが、エンドプレートと前記仕切りプレートとの間の前記ヘッドエンドチャンバーの中に配設されており、前記フィードキャップの前記外側壁部、前記フィードキャップの前記バックプレート、および、前記燃料ノズルの前記外側シェルが、全ての境界に沿って、前記ヘッドエンドチャンバーの中の燃焼を妨害するのに十分な流れを維持するように構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
タービン燃焼器を含み、前記タービン燃焼器は、
燃焼室と、
仕切りプレートによって前記燃焼室から分離されたヘッドエンドチャンバーと、
前記ヘッドエンドチャンバーの中に、および、燃料ノズルの周りに配設されている加圧されたチャンバーであって、前記加圧されたチャンバーは、前記燃料ノズルの外側シェルの上流端部に接合されたバックプレートを含む、加圧されたチャンバーと
を含む、システム。
【請求項１２】
前記タービン燃焼器が、前記加圧されたチャンバーの外側表面に沿って第１の加圧空気を流すように構成された第１の空気経路を含み、前記加圧されたチャンバーの前記外側表面が、前記燃料ノズルの周りに配設されたフィードキャップの第１の外側表面、前記バックプレートの第２の外側表面、および、前記燃料ノズルの前記外側シェルの第３の外側表面を含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記タービン燃焼器が、内側シェルおよび前記外側シェルを含む前記燃料ノズルを含み、前記タービン燃焼器が、前記フィードキャップの前記外側表面に沿って、および、前記燃料ノズルの中へ、前記第１の空気経路を通して第１の加圧空気を流すように構成されており、前記第１の空気経路には、流れを妨害する表面が実質的に存在しない、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記加圧されたチャンバーの前記バックプレートが、前記燃料ノズルの前記外側シェルの末端ヘッドエンドと、前記燃料ノズルの周りに配設されたフィードキャップの別の末端ヘッドエンドとを接合している、請求項１１記載のシステム。
【請求項１５】
前記ヘッドエンドチャンバーが、前記仕切りプレートに対して実質的に平行に位置付けられたエンドプレートを含み、前記バックプレートが、平坦な壁部、または、前記エンドプレートに向かって湾曲した湾曲壁部を含む、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
前記フィードキャップの前記バックプレートが、前記バックプレートに沿った流れを維持し、前記バックプレートに沿った流れのいかなる再循環をも妨害するように構成されている、請求項１４記載のシステム。
【請求項１７】
タービン燃焼器を含み、前記タービン燃焼器は、
燃焼室と、
仕切りプレートによって前記燃焼室から分離されたヘッドエンドチャンバーと、
前記ヘッドエンドチャンバーの中に配設され、かつ、第１の加圧空気を燃料ノズルの中へ流すように構成された空気経路と
を含み、前記空気経路は、
前記タービン燃焼器のフロースリーブとフィードキャップの外側壁部との間に配設された第１のセグメントと、
前記第１のセグメントの下流に配設され、かつ、前記フィードキャップのバックプレートと前記ヘッドエンドチャンバーのエンドプレートとの間に配設された第２のセグメントであって、前記第２のセグメントには、前記バックプレートと前記エンドプレートとの間の流れを妨害する表面が実質的に存在しない、第２のセグメントと、
前記第２のセグメントの下流に配設され、かつ、前記燃料ノズルの内側シェルと外側シェルとの間に配設された第３のセグメントと
を含む、システム。
【請求項１８】
前記空気経路が、前記タービン燃焼器の前記フロースリーブおよびフローライナーによって画定された環状部から、第１の圧力で、前記第１の加圧空気を受け入れるように構成されており、前記空気経路が、前記第１の加圧空気を、４つ組の燃料噴射器によって噴射された燃料と混合し、加圧された燃料−空気混合物を第２の圧力で生成するように構成されている、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記仕切りプレート、前記フィードキャップの前記バックプレート、前記フィードキャップの前記外側壁部、および、前記燃料ノズルの前記外側シェルが、第３の圧力で第２の加圧空気の流れを受け入れるように構成されている加圧されたチャンバーを形成しており、前記第３の圧力が、前記第２の圧力よりも大きい、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
前記空気経路の前記第２のセグメントには、前記第１の加圧空気の横方向流れが実質的に存在しないように構成され、前記横方向流れは、前記ヘッドエンドチャンバーの前記エンドプレートに対して横方向に配向された流れ方向を含む、請求項１７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示されている主題は、タービン燃焼器に関し、より詳細には、タービン燃焼器ヘッドエンドチャンバーの中に空気力学的な流れを生成するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、タービン燃焼器の燃焼室の中で燃料−空気混合物を燃焼させ、次いで、結果として生じる高温燃焼ガスで、１つまたは複数のタービンを駆動する。特定の構成では、燃料および空気は、点火の前に予混合され、排出物を低減し、燃焼を改善する。ガスタービンエンジンは、燃料ノズルなど、１つまたは複数のチャンバーの中で、燃料および空気を混合する。燃料および空気は、タービン燃焼器を通る１つまたは複数の経路を通して、一緒におよび／または別々に移動することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第８１４１３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
残念なことには、１つまたは複数の経路は、急な曲がり角、凹部、および、再循環ゾーンを生成する他の障害物を含むことがあり、それらは、保炎および／またはフラッシュバックを可能にし得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
最初に特許請求された発明の範囲に相応する特定の実施形態が、以下に要約されている。これらの実施形態は、特許請求された本発明の範囲を限定することを意図しておらず、むしろ、これらの実施形態は、単に、本発明の可能な形態の簡単な概要を提供することだけを意図している。実際に、本発明は、以下に記述される実施形態と同様であるか、または、それとは異なることが可能である様々な形態を包含することが可能である。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、タービン燃焼器を含み、タービン燃焼器は、内側シェルおよび外側シェルを備えた燃料ノズルと、外側壁部およびバックプレートを有する、燃料ノズルの周りに配設されたフィードキャップとを有する。バックプレートは、燃料ノズルの外側シェルおよびフィードキャップの外側壁部のそれぞれの上流端部を接合している。タービン燃焼器は、フィードキャップの外側壁部に沿って、フィードキャップのバックプレートに沿って、および、燃料ノズルの中へ延在する第１の空気経路を介して第１の加圧空気を流すように構成されている。
【０００７】
第２の実施形態では、システムは、タービン燃焼器を含み、タービン燃焼器は、燃焼室と、仕切りプレートによって燃焼室から分離されたヘッドエンドチャンバーと、ヘッドエンドチャンバーの中に、および、燃料ノズルの周りに配設されている加圧されたチャンバーとを有する。加圧されたチャンバーは、燃料ノズルの外側シェルの上流端部に接合されたバックプレートを含む。
【０００８】
第３の実施形態では、システムは、タービン燃焼器を含み、タービン燃焼器は、燃焼室と、仕切りプレートによって燃焼室から分離されたヘッドエンドチャンバーと、ヘッドエンドチャンバーの中に配設され、かつ、第１の加圧空気を燃料ノズルの中へ流すように構成された空気経路とを有する。空気経路は、タービン燃焼器のフロースリーブとフィードキャップの外側壁部との間に配設された第１のセグメントと、第１のセグメントとの下流に配設され、かつ、フィードキャップのバックプレートとヘッドエンドチャンバーのエンドプレートとの間に配設された第２のセグメントとを含む。第２のセグメントには、バックプレートとエンドプレートとの間の流れを妨害する表面が実質的に存在しない。また、空気経路は、第２のセグメントの下流に配設され、かつ、燃料ノズルの内側シェルと外側シェルとの間に配設された第３のセグメントも含む。
【０００９】
本発明のこれら他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。図面では、同様の文字は、図面を通して、同様の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】それぞれの燃料ノズルの中への空気力学的な流れを可能にするように構成されている加圧されたチャンバーを備えたフィードキャップをそれぞれ有する、複数のタービン燃焼器を備えたガスタービンシステムの実施形態の概略図である。
【図２】図１のタービン燃焼器のうちの１つの実施形態の概略側断面図であり、空気力学的バックプレートを有する加圧されたチャンバーを備えたフィードキャップの実施形態を図示している図である。
【図３】図２の線３−３の中で見た、タービン燃焼器のヘッドエンドの実施形態の概略側断面図であり、フィードキャップおよび加圧されたチャンバーの周りの、およびそれらを通る、空気流路を図示する図である。
【図４】図２の線３−３から見た、タービン燃焼器のヘッドエンド実施形態の概略側断面図であり、フィードキャップおよび複数の燃料ノズルによって形成された複数の加圧されたチャンバーを図示する図である。
【図５】バックプレートの構成例を示す図である。
【図６】バックプレートの構成の別の構成例を示す図である。
【図７】バックプレートの構成のさらに別の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の具体的な実施形態について、以下に説明される。これらの実施形態の簡潔な説明を提供する目的で、実際の実施の全ての特徴が、明細書の中に説明されてはいない可能性がある。任意のエンジニアリングまたは設計プロジェクトなどのような任意の実際の実施の開発において、システム関連の制約およびビジネス関連の制約（それは、実施ごとに変化する可能性がある）を順守するなどのような、開発者の特定の目標を実現するために、多数の実施時固有の決断がなされなければならないということを認識されたい。そのうえ、そのような開発努力は、複雑であり、時間がかかるが、それにもかかわらず、この開示の利益を有する当業者にとっては設計、組み立て、製造の日常的業務であるということを認識されたい。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、冠詞の「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「前記（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、要素のうちの１つまたは複数が存在するということを意味するように意図されている。用語の「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、包含的であることが意図されており、リストアップされている要素以外の追加的な要素が存在することが可能であるということを意味することが意図されている。
【００１３】
上記に言及したように、燃焼室から上流にあるガスタービン燃焼器のヘッドエンドは、１つまたは複数の急な曲がり角または縁部によって乱流流れを生成する範囲、圧縮空気および燃料のポケットが蓄積し得る低流量条件を有する範囲、ならびに、燃料および空気の混合が望ましくない範囲など、一般的に空気力学的でない範囲を含む。換言すれば、ガスタービン燃焼器のヘッドエンドは、再循環ゾーンを含む可能性があり、この再循環ゾーンは、燃料と空気の混合物が低流量を有し、または再循環して、火炎が保持もしくはフラッシュバックされ得るゾーンを含む可能性がある。これらの条件のうちの任意の１つ、または、それらの組み合わせが、ガスタービン燃焼器のヘッドエンド領域またはフィードキャップ領域の中などのような、ガスタービン燃焼器の燃焼室から上流に、望ましくない燃焼（例えば、保炎またはフラッシュバック）をもたらす可能性がある。本実施形態は、空気力学的フィードキャップ設計、および、ガスタービン燃焼器のヘッドエンドを含み、再循環ゾーンを低減または除去する。フィードキャップは、低流量領域、無流量領域、望ましくない乱流の範囲、再循環、燃料および空気の混合などを形成する可能性を低減するように構成されたワンピースの設計であることが可能である。したがって、本実施形態は、ガスタービンエンジンの信頼性を強化することが可能であり、そして、それは、結果として、より信頼性の高いエネルギー生成、および、統合ガス化複合発電（ＩＧＣＣ）システムなどのような統合ガス化システムの中の処理能力の増加を生じる。実際、本実施形態は、低流量、無流量、乱流、および／または、再循環が、望ましくない状態（例えば、フラッシュバックまたは保炎）を生成する可能性がある範囲を有するタービン燃焼器を用いる、任意の環境において使用されることが可能である。
【００１４】
ここで図面を見てみると、図１は、ガスタービンシステム１０の実施形態のブロック図を図示しており、ガスタービンシステム１０は、本実施形態による空気力学的フィードキャップを利用することが可能である。システム１０は、圧縮機１２、タービン燃焼器１４、およびタービン１６を含む。タービン燃焼器１４は、天然ガスまたは合成ガスなどのような、液体燃料および／またはガス燃料をタービン燃焼器１４の中へ導く燃料ノズル１８を含む。示されているように、それぞれのタービン燃焼器１４は、多数の燃料ノズル１８を有することが可能である。より具体的には、タービン燃焼器１４は、それぞれ、一次燃料ノズル２０を有する一次燃料噴射システム、および、二次燃料ノズル２２を有する二次燃料噴射システムを含むことが可能である。以下に詳細に説明されるように、それぞれのタービン燃焼器１４は、望ましくない無流量、低流量、再循環、または、他の望ましくない空気流れの状態を低減させるように構成されたフィードキャップも含むことが可能である。そのうえ、それぞれのタービン燃焼器１４の空気力学的フィードキャップは、タービン燃焼器１４の中の音波を軽減し、圧力変動を抑制する（すなわち、ダイナミックスの発生を低減させる）ことが可能である。実際に、そのようなフィードキャップの設計は、燃料および空気の可燃性混合物を、低速度領域などのような再循環ゾーンの中に滞留させる可能性を軽減することが望ましい可能性がある。例えば、再循環ゾーンにおいて、火炎が、この領域に保持され、かつ／または、この領域へ上流に移動する可能性があり、それは、望ましくない可能性がある。
【００１５】
タービン燃焼器１４は、空気−燃料混合物を点火して燃焼させ、次いで、高温加圧燃焼ガス２４（例えば、排気）をタービン１６の中に渡す。タービンブレードが、シャフト２６に連結されており、シャフト２６も、タービンシステム１０を通して、いくつかの他のコンポーネントに連結されている。燃焼ガス２４が、タービン１６の中のタービンブレードを通過すると、タービン１６が駆動されて回転し、それが、シャフト２６を回転させる。最終的に、燃焼ガス２４は、排気出口部２８を介してタービンシステム１０を出ていく。さらに、シャフト２６は、負荷３０に連結されることが可能であり、負荷３０は、シャフト２６の回転によって動力を供給されることが可能である。例えば、負荷３０は、タービンシステム１０の回転出力を介して動力を発生させることが可能な任意の適切なデバイス、例えば、発電機、飛行機のプロペラなどのようなものであることが可能である。
【００１６】
圧縮機ブレードが、圧縮機１２のコンポーネントとして含まれている。圧縮機１２の中のブレードは、シャフト２６に連結されており、上述のように、シャフト２６が、タービン１６によって回転駆動させられると、圧縮機１２の中のブレードは回転することとなる。圧縮機１２の中のブレードの回転が、空気取り入れ口３２からの空気を加圧空気３４へと圧縮する。次いで、加圧空気３４は、タービン燃焼器１４の燃料ノズル１８の中へ供給される。燃料ノズル１８は、加圧空気３４および燃料を混合し、燃焼（例えば、燃料をより完全に燃えさせる燃焼）のための適切な混合比を生成し、燃料を無駄にせず、または、過剰な排出物を生じさせないようになっている。以下に述べられるように、圧縮空気は、燃料噴射より上流において、それぞれの燃焼器１４の中のフィードキャップを通過し、かつ／または、その周りを通ることが可能である。
【００１７】
図２は、図１のタービン燃焼器１４のうちの１つの実施形態の概略図であり、タービン燃焼器１４のヘッドエンド５２の中に配設され、かつ、単一の燃料ノズル２０の周りに配設されたフィードキャップ５０を図示している。上記に説明されているように、圧縮機１２は、空気取り入れ口３２からの空気を受け入れ、空気を圧縮し、タービン燃焼器１４の中の燃焼プロセスで使用するための加圧空気３４の流れを生成する。図示されている実施形態に示されているように、加圧空気３４は、タービン燃焼器１４に動作可能に連結された圧縮機排出部５４によって受け入れられている。矢印５６によって示されているように、加圧空気３４は、圧縮機排出部５４からタービン燃焼器１４のヘッドエンド５２に向かって流れる。より具体的には、加圧空気３４は、タービン燃焼器１４のライナー６２とフロースリーブ６４との間の環状部６０を通って流れ、ヘッドエンド５２に到達する。
【００１８】
特定の実施形態では、ヘッドエンド５２は、図１に示されている一次燃料ノズル２０を支持することが可能なエンドプレート６６を含む。図示されている実施形態では、ヘッドエンド５２は、単一の一次燃料ノズル２０、および、関連のフィードキャップ５０を有している。しかし、以下に述べられるように、ヘッドエンド５２は、複数の燃料ノズル２０を含み、１つまたは複数のフィードキャップ５０が、燃料ノズル２０を取り囲むことが可能である。一実施形態によれば、単一のフィードキャップ５０は、２個から１０個の間の燃料ノズル（例えば、２個から８個の間の、または、４個から６個の間の燃料ノズル）などのような、複数の燃料ノズル２０を取り囲むことが可能である。
【００１９】
燃料供給部が、一次燃料ノズル２０に燃料６８を供給する。さらに、空気流路７２が、タービン燃焼器１４の環状部６０からの加圧空気３４を、一次燃料ノズル２０を通して送る。一次燃料ノズル２０は、加圧空気３４を、一次燃料供給部６８から供給された燃料６８と組み合わせ、燃料−空気混合物を形成する。具体的には、燃料６８は、複数のスワールベーン７４によって、また、いくつかの実施形態では、追加的に、１つまたは複数の４つ組の（ｑｕａｔｅｒｎａｒｙ）燃料噴射器９７によって、空気流路７２の中へ噴射されることが可能である。燃料−空気混合物は、空気流路７２から燃焼室７６の中へ流れ、燃焼室７６において、燃料−空気混合物が、点火および燃焼させられ、燃焼ガス（例えば、排気）を形成する。燃焼ガスは、タービン燃焼器１４のトランジションピース８０に向かって方向７８に流れる。燃焼ガスは、トランジションピース８０を通過し、矢印８２によって示されているように、タービン１６に向かい、タービン１６において、燃焼ガスは、タービン１６の中のブレードを回転駆動させる。
【００２０】
上記に言及したように、タービン燃焼器１４は、燃焼室７６などのような燃焼が望まれる領域、および、エンドプレート６６と、ヘッドエンド５２を燃焼室７６から分離する仕切りプレート８６との間に配設されたヘッドエンドチャンバー８４などのような、燃焼が望ましくない領域を含む。ヘッドエンドチャンバー８４の中の燃焼（例えば、フラッシュバックおよび／または保炎）は、空気流路７２に沿った乱流気流および燃料−空気ポケットの結果である可能性があり、空気流路７２において、燃焼室の上流、および／または、燃料噴射器（例えば、燃料噴射器２０）の上流などのような、上流領域において、ならびに、４つ組の燃料噴射器９７の下流において、流れが、再循環し、および／または、低速度を有するか、もしくは、速度がない。したがって、本開示によれば、これらの望ましくないフロー条件、および他の望ましくないフロー条件は、フィードキャップ５０の外側壁部９０と燃料ノズル２０の外側シェル９２とを接続する空気力学的バックプレート８８を提供することによって、少なくとも部分的に軽減されることが可能であるということがここで認識される。具体的には、以下で詳細に述べられるように、かなりの乱流または低流量のもしくは無流量のポケットに遭遇することなく、加圧空気３４が、空気流路７２に沿って流れることができるように、バックプレート８８は、燃料ノズル２０の外側シェル９２とフィードキャップ５０の外側壁部９０とを接続している。さらに、バックプレート８８の構成は、燃焼プロセスによって生成される圧力波、音波、および、燃焼ダイナミックスと称される他の振動の発生を低減させることを助けることも可能である。燃焼ダイナミックスは、タービン燃焼器１４の中の（例えば、ヘッドエンドチャンバー８４の中の）性能劣化、構造的な応力、および、機械的疲労または熱疲労を引き起こす可能性がある。
【００２１】
バックプレート８８、フィードキャップ５０の外側壁部９０、燃料ノズル２０の外側シェル９２、および仕切りプレート８６は、閉じられたボリュームまたはチャンバー９４を一緒に画定する。図示されているように、チャンバー９４は、空気経路７２に沿って流れる加圧空気３４の圧力と等しいか、または、それよりも大きい圧力で、４つ組の燃料噴射器９７のセットからの事前調整された空気９６の流入を受け入れる。したがって、空気経路７２およびヘッドエンドチャンバー８４に対して、チャンバー９４は、加圧されたチャンバーであると考えることができる。いくつかの実施形態では、チャンバー９４は、空気経路７２に沿って流れる加圧空気３４、および／または、空気／燃料混合物の圧力よりも、おおよそ１％から２０％の間の分だけ高い（例えば、おおよそ１％から１５％の間、１％から１０％の間、２％から８％の間、２％から６％の間、または、３％から５％の間（例えば、おおよそ３％、４％、または５％）の分だけ高い）圧力で、事前調整された空気９６を受け入れる。したがって、チャンバー９４は、ヘッドエンドチャンバー８４に対してシールされることが可能であり、それによって、燃料、および／または、空気／燃料混合物の流入が、チャンバー９４に進入することを防止することが可能である。そのような流入を防止するために、チャンバー９４は、空気／燃料混合物の無流量または低流量の結果として、ヘッドエンドチャンバー８４の中で、空気／燃料混合物の早過ぎる燃焼が生じる可能性を低減させることが可能である。以下にさらに詳細に述べられるように、チャンバー９４は、事前調整された空気９６を燃焼室７６の中へ通すことによって、仕切りプレート８６の冷却も可能にする。事前調整された空気９６は、加圧空気３４であることが可能であり、または、他の空気源からのものであることが可能である。以下に述べられるように、４つ組の燃料噴射器９７は、燃料６８を空気経路７２の中へ噴射し、燃料−空気混合物を形成することも可能である。したがって、バックプレート８８の構成、および、とりわけ、フィードキャップ５０の外側壁部９０および燃料ノズル２０の外側シェル９２とのその接続方法は、燃料−空気混合物の保炎および再循環の可能性を低減させる。
【００２２】
図３は、図２の線３−３の中で見た、タービン燃焼器１４のヘッドエンド５２の実施形態の概略図であり、チャンバー９４、４つ組の燃料噴射器９７、および、ヘッドエンドチャンバー８４の中に配設された一次燃料ノズル２０を図示している。言及したように、バックプレート８８が、フィードキャップ５０の外側壁部９０と燃料ノズル２０の外側シェル９２とを接合させている。具体的には、バックプレート８８が、外側壁部９０のヘッドエンド末端部９８と外側シェル９２のヘッドエンド末端部１００とを直接接続させている。バックプレート８８は、任意の空気力学的形状をとることが可能であり、バックプレート８８の主要部分１０２は、図５〜図７に関して以下に述べられるように、湾曲しているか（例えば、凹面状または凸面状）、波形状であるか、角度が付けられているか、または、エンドプレート６６および／または仕切りプレート８６に対して実質的に平行であることが可能である。特定の実施形態では、バックプレート８８は、ヘッドエンド末端部９８からヘッドエンド末端部１００へ実質的に直線で延在することが可能であり、かつ、（例えば、末端部９８、１００に対して）凹部形状または凹面形状などのような、流れを妨害する表面が実質的に存在しい。一実施形態では、バックプレート８８は、エンドプレート６６および／または仕切りプレート８６に対して実質的に平行である。本明細書で定義されているように、実質的に平行であるということは、第１の部分１０２の全体が、製作公差を要因として、エンドプレート６６および仕切りプレート８６のいずれか、または両方に対して、平行からおおよそ２°以内に配向されている構成を含む。しかし、主要部分１０２が、エンドプレート６６および／または仕切りプレート８６に対して角度が付けられている構成も、現在のところ考慮されており、その角度は、おおよそ２°から３０°の間、２°から２０°の間、２°から１５°の間、３°から１０°の間、または、４°から８°の間などのようなものである。図示されているように、主要部分１０２は、エンドプレート６６および仕切りプレート８６の両方に対して実質的に平行であり、第１および第２の縁部１０４、１０６において丸みが付けられており、第１および第２の縁部１０４、１０６において、それは、それぞれ、外側壁部９０および外側シェル９２に接続されている。本実施形態によれば、第１および第２の縁部１０４、１０６は、丸みが付けられた縁部、直線の縁部、傾斜が付けられた縁部、突出している縁部、または、加圧空気３４に剪断力を生じさせない任意の縁部を含む、任意の縁部構成を想定することができる。
【００２３】
実際、本明細書で述べられているように、バックプレート８８の構成は、空気流路７２に沿った加圧空気３４および燃料−空気混合物の流れを促進する。上述のように、空気流路７２は、タービン燃焼器１４の環状部６０から加圧空気３４を受け入れる。さらに、特定の実施形態では、４つ組の燃料噴射器９７が、流路７２の中へ燃料６８を噴射し、燃料−空気混合物を形成し、また、燃料−空気混合物も、空気流路７２に沿って流れることが可能である。空気流路７２は、第１の部分１２０、第２の部分１２２、および第３の部分１２３を含む。第１の部分１２０、第２の部分１２２、および第３の部分１２３は、動作可能に連結されている。空気流路７２の第１の部分１２０は、外側壁部１２４（外側壁部１２４は、ヘッドエンドケーシングまたはフロースリーブ６４であることが可能である）、および、フィードキャップ５０の外側壁部９０によって画定されている。空気流路７２の第２の部分１２２は、ヘッドエンドチャンバー８４のエンドプレート６６、および、フィードキャップ５０のバックプレート８８によって画定されている。燃料ノズル２０の外側シェル９２および内側シェル１３０が、第３の部分１２３を画定している。換言すれば、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物の流れは、燃料ノズル２０の周りに配設されたフィードキャップ５０の第１の外側表面を含む、加圧されたチャンバー９４の外側表面に沿って、バックプレート８８の外側表面に沿って、および、燃料ノズル２０の外側シェル９２の外側表面に沿って流れる。図示されているように、バックプレート８８は、第１および第２の部分１２０、１２２の接合点、および、第２および第３の部分１２２、１２３の接合点に配設されている。本実施形態によれば、バックプレート８８の形状および位置が、それぞれの部分の間の加圧空気３４の流れを促進することが可能である。
【００２４】
例えば、バックプレート８８の第１の縁部１０４（それは、バックプレート８８とフィードキャップ５０の外側壁部９０とを連結している）は、丸みが付けられることが可能であり、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物が、第１の部分１２０から第２の部分１２２へ流れるときに、乱流、再循環、および／または低速流れを防止するようになっている。同様に、バックプレート８８の第２の縁部１０６（それは、バックプレート８８と燃料ノズル２０の外側シェル９２とを連結している）は、丸みが付けられることが可能であり、加圧空気、および／または、燃料−空気混合物が、第２の部分１２２から第３の部分１２３へ流れるときに、乱流、再循環、および／または低速流れを防止するようになっている。バックプレート８８の主要部分１０２は、空気、および／または、燃料−空気流れが失速するのを防止している。換言すれば、主要部分１０２は、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物の継続的な流れを可能とすることによって、加圧空気３４、および／または、空気／燃料混合物のポケットが、第２の部分１２２に捕らえられるようになることを防止している。さらに、主要部分１０２は、空気の横方向流れが第２の部分１２２の中に形成される範囲を防止するように、形状付けられている。一般的に、バックプレート８８は、突出部、障害物、凹部などのような、流れの剪断を生じさせる表面を有さない。実際、空気経路７２には、加圧空気および／または燃料−空気混合物の流れが、妨害され、停止させられ、または、そうでなければ剪断される、無流量領域または低流量領域が実質的に存在しないように、外側壁部９０、バックプレート８８、および外側シェル９２が構成されている。すなわち、バックプレート８８は、実質的に滑らかで連続的な表面であることが可能である。
【００２５】
矢印１３２によって示されているように、加圧空気３４が、環状部６０から、最初に、空気流路７２の第１の部分１２０を通って、そして、空気流路７２の第２の部分１２２を通って、次いで、第３の部分１２３を通って流れる。言及したように、加圧空気３４は、燃料６８と混合され、燃料−空気混合物を形成することが可能である。したがって、第１、第２、および第３の部分１２０、１２２、１２３の中で、矢印１３２は、燃料−空気混合物を表すことも可能である。また、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物は、スワールベーン７４の周りを流れる。上記に述べられているように、燃料６８は、スワールベーン７４を通して加圧空気３４の中へ放出される。具体的には、燃料６８は、矢印１３６によって表されているように、燃料ノズル２０の内側シェル１３０の中の燃料経路１３４を流れて下る。燃料６８は、矢印１３８によって表されているように、燃料経路１３４からスワールベーン７４の中へ通され、そして、矢印１４２によって表されているように、スワールベーン７４の中の燃料ポート１４０を通ってスワールベーン７４を出ていく。燃料６８は、加圧空気３４と混合され、空気／燃料混合物を生成する。矢印１４４によって示されているように、空気／燃料混合物は、燃焼室７６へ向かって下流へ流れる。図示されている実施形態では、仕切りプレート８６は、ヘッドエンドチャンバー８４および燃焼室７６を動作可能に接合する１つまたは複数の開口部１４６を含む。
【００２６】
上述のように、タービン燃焼器１４のヘッドエンド５２は、チャンバー９４を含み、チャンバー９４が、事前調整された空気９６を受け入れる。具体的には、事前調整された空気９６が、事前調整された空気の入口部１４８を通してチャンバー９４に進入し、一方、燃料６８の流れが、一連の燃料入口部１４９を通して空気流路７２の第１の部分１２０に進入する。例えば、事前調整された空気９６は、圧縮機排出部５４によって供給されることが可能である。図示されている実施形態は、２つの事前調整された空気の入口部１４８を示しているが、他の実施形態は、より少ないまたはより多くの事前調整された空気の入口部１４８を含むことが可能である。例えば、タービン燃焼器１４は、１個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、または、それより多くの事前調整された空気の入口部１４８を有することが可能である。チャンバー９４は、事前調整された空気の入口部１４８から事前調整された空気９６を受け入れ、矢印１５０によって示されているように、事前調整された空気９６で満たされる。さらに、事前調整された空気９６は、矢印１５４によって示されているように、仕切りプレート８６の中の孔部１５２に向けて導かれることが可能である。特定の実施形態では、孔部１５２は、真っ直ぐな孔または角度が付けられた孔であることが可能である。事前調整された空気９６は、孔部１５２を通過することが可能であり、それによって、仕切りプレート８６を冷却し、燃焼室７６に進入する。言及したように、燃料ノズル２０で生成された燃料−空気混合物のチャンバー９４への流入を防止するのに十分な圧力で、事前調整された空気９６が、チャンバー９４に提供さる。すなわち、燃料−空気混合物が、第１の圧力であることが可能であり、チャンバー９４の中の事前調整された空気９６が、第２の圧力であることが可能であり、第２の圧力は、第１の圧力よりも大きいことが可能である。繰り返しになるが、事前調整された空気９６は、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物よりも、おおよそ１％から１５％の間、１％から１０％の間、２％から８％の間、２％から６％の間、または、３％から５％の間（例えば、おおよそ３％、４％、または５％）の分だけ高いことが可能である。さらに、特定の実施形態では、チャンバー９４の中の圧力が、燃焼室７６の中で生成された燃焼生成物の流入を防止するのに十分なレベルであることが可能である。
【００２７】
図４は、図２の線３−３から見た、タービン燃焼器１４のヘッドエンド５２の一実施形態の概略図であり、複数の燃料ノズル２０の周りに配設されたフィードキャップ５０を図示している。例えば、タービン燃焼器１４は、中央燃料ノズルおよび複数の周囲燃料ノズル（例えば、２個から１０個）を含むことが可能である。図示されている実施形態では、フィードキャップ５０は、第１および第２の外側燃料ノズル１６０、１６２、および中央燃料ノズル１６４を取り囲んでいる。本実施形態では、フィードキャップ５０の外側壁部９０は、全ての燃料ノズルを取り囲む主要壁部としての役割を果たしている。さらに、燃料ノズル２０は、説明を容易にするために直線状の構成で図示されており、燃料ノズル２０が樽状の構成で配設されている環状配置などのような他の構成でも可能であるということが留意されるべきである。したがって、フィードキャップ５０の外側壁部９０は、第１および第２の外側燃料ノズル１６０、１６２に近接して配設されているものとしてのみ図示されている。そのうえ、フィードキャップ５０は、燃料ノズル１６０、１６２、１６４のそれぞれに対応する複数の開口部を含み、それぞれのノズル１６０、１６２、１６４のそれぞれの外側シェル９２、１６６が、それぞれの開口部を画定している。
【００２８】
図３に関して上記に述べられているように、バックプレート８８および仕切りプレート８６によって、フィードキャップ５０の外側壁部９０と燃料ノズル２０の外側シェル９２とを接合することによって、チャンバー９４が形成されている。同様の形式で、第１および第２の外側燃料ノズル１６０、１６２のそれぞれの外側シェル９２、および、中央燃料ノズル１６４の外側シェル１６６が、バックプレート８８および仕切りプレート８６によって接合され、ボリューム１６８を形成している。すなわち、フィードキャップ５０のバックプレート８８は、第１および第２の外側燃料ノズル１６０、１６２の外側シェル９２のヘッドエンド末端部１００と、中央燃料ノズル１６４の外側シェル１６６のヘッドエンド末端部１７０とを接合している。このように、中央燃料ノズル１６４の範囲の中の空気流路７２には、低流量または無流量の範囲が実質的に存在しないことが可能である。したがって、図示されている構成は、ヘッドエンドチャンバー８４の中での再循環流れ、低速流れ、保炎などのような、望ましくない流れの状態の可能性を低減させるように適合されている。さらに、チャンバー９４と同様、ボリューム１６８は、事前調整された空気９６で満たされることが可能である。
【００２９】
例えば、中央燃料ノズル１６４は、フィードキャップ５０の外側壁部９０に近接して配設されていないということが認識されるであろう。むしろ、第１および第２の外側燃料ノズル１６０、１６２は、第１のおよび第２の中央燃料ノズル１６４、１６６と外側壁部９０との間に位置付けられている。したがって、事前調整された空気９６は、ボリューム１６８の中へ直接噴射されない。その代わりに事前調整された空気９６は、最初に、チャンバー９４の中へ直接噴射され、中央燃料ノズル１６４およびボリューム１６８を含むヘッドエンド５２の中央領域へ向かって流れる。次いで、事前調整された空気９６が、ボリューム１６８を満たす。したがって、ボリューム１６８およびチャンバー９４は、直接流体連通しており、同じ圧力を有することが可能である。実際、ボリューム１６８は、中央ノズル１６４を通って流れる空気燃料混合物の圧力よりも大きい、事前調整された空気９６の圧力を有することが可能である。例えば、ボリューム１６８の中の事前調整された空気９６の圧力は、加圧空気３４、および／または、燃料−空気混合物よりも、おおよそ１％から１５％の間、１％から１０％の間、２％から８％の間、２％から６％の間、または、３％から５％の間（例えば、おおよそ３％、４％、または５％）の分だけ高いことが可能である。
【００３０】
上記に言及したように、バックプレート８８は、フィードキャップ５０の外側壁部９０と燃料ノズル２０の外側シェル９２とを接続する任意の空気力学的形状をとることが可能である。すなわち、バックプレート８８は、全ての境界表面に沿って、十分な流れを維持するように構成されており、燃料−空気混合物および／または加圧空気３４の再循環を防止するようになっている。そのような構成の例が、図５〜図７に図示されている。具体的には、図５において、バックプレート８８は、流れを妨害する表面が実質的に存在しない、概して直線状の形状を有することが可能である。代替的に、バックプレート８８は、曲げられる、および／または、角度が付けられることが可能である。例えば、図６に図示されているように、バックプレート８８は、外側壁部９０および外側シェル９２のヘッドエンド末端部に対して凸面状（すなわち、外側へ弓状になっている）である、湾曲した形状を有することが可能である。代替的に、または、追加的に、バックプレート８８は、図７に図示されているように、角度が付けられることが可能である。図７において、バックプレート８８は、概して、流路７２の流れ方向に沿って、角度が付けられているものとして図示されている。実際、保炎、フラッシュバック、低速流れ、流れなし、および、同様の望ましくないフロー条件の可能性を低減させるように構成された、バックプレート８８の任意の一般的な形状および構成が、現在のところ考慮されている。
【００３１】
この書面による説明は、本発明を開示するために、また、任意の当業者が本発明を実施（任意のデバイスまたはシステムを製造および使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を実行することを含む）することができるように、例（最良の形態を含む）を使用している。本発明の特許の範囲は、特許請求の範囲によって画定され、当業者が考え付く他の例を含むことが可能である。そのような他の例が、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含んでいる場合には、または、特許請求の範囲の文言とわずかに異なる、均等な構造的要素を含んでいる場合には、そのような他の例は、特許請求の範囲内に含まれるということが意図されている。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ガスタービンシステム
１２  圧縮機
１４  タービン燃焼器
１６  タービン
１８  燃料ノズル
２０  一次燃料ノズル、燃料噴射器
２２  二次燃料ノズル
２４  燃焼ガス
２６  シャフト
２８  排気出口部
３０  負荷
３２  空気取り入れ口
３４  加圧空気
５０  フィードキャップ
５２  ヘッドエンド
５４  圧縮機排出部
５６  矢印
６０  環状部
６２  ライナー
６４  フロースリーブ
６６  エンドプレート
６８  燃料、一次燃料供給部
７２  空気流路、空気経路
７４  スワールベーン
７６  燃焼室
７８  方向
８０  トランジションピース
８２  矢印
８４  ヘッドエンドチャンバー
８６  仕切りプレート
８８  バックプレート
９０  外側壁部
９２  外側シェル
９４  チャンバー
９６  空気
９７  燃料噴射器
９８  ヘッドエンド末端部
１００  ヘッドエンド末端部
１０２  主要部分
１０４  第１の縁部
１０６  第２の縁部
１２０  第１の部分
１２２  第２の部分
１２３  第３の部分
１２４  外側壁部
１３０  内側シェル
１３２  矢印
１３４  燃料経路
１３６  矢印
１３８  矢印
１４０  燃料ポート
１４２  矢印
１４４  矢印
１４６  開口部
１４８  事前調整された空気の入口部
１４９  燃料入口部
１５０  矢印
１５２  孔部
１５４  矢印
１６０  第１の外側燃料ノズル
１６２  第２の外側燃料ノズル
１６４  中央燃料ノズル
１６６  外側シェル
１６８  ボリューム
１７０  ヘッドエンド末端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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